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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

日志

 
 
关于我

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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舌尖上的接收器   

2013-07-09 07:01:36|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Lewind

机器人的接收器

  读本科的时候,我曾经报名参加了一个机器人制作团队,代表中国参加在日本举办的世界机器人大赛。那一届的比赛题目是射门机器人,要求能在赛场上拾起己方半场内的球,退回到射门区之后再把球射向对方的球门。

要让机器人走起来,首先要让它知道自己在场地上的位置。大家提了很多方案,比如装上摄像头,用图像处理程序来识别球门,或者使用激光测距仪等等。但不是实现起来太复杂,就是造价太高。最后,我提了个方案:在机器人底部的四角各安装一个红外线发射接收装置,利用与鼠标类似的原理来检测自己在场地上的移动速率。这四块电路板虽小,却是我们的机器人身上唯一的接收器,是它感知外面世界的通道。

Field

本科毕业之后,我离开了自动化专业,转身跨进了生命科学的大门。其实这两件事情并没有一般人所认为的那么遥远——生命本身就是宇宙中最复杂、最奇妙的自动化系统,哪怕只是一个细胞,其复杂程度都远远超过人类所能研制出来的最精密的机器。而且,无论是人类创造出来的自动机器,还是大自然进化出来的生物机器,它们都需要感知外面的世界。就像我们当年的比赛机器人不能在射门区之外射门一样,生物体也要针对不同的外界环境做出正确的选择才行。

 

味道的化学

  在我们所面对的外界环境之中,食物绝对是既重要又复杂的一件事情:苦的东西不能吃,可能有毒;甜的东西要多吃,能量很高;酸的东西要小心,可能已经变质了。而了解这些味道,是我们人类与生俱来的本能。养过孩子的人都知道,六个月大的婴儿吃到甜的食物就会高兴得手舞足蹈;吃到略微发苦发涩的食物就会直接吐出来;而吃到酸的食物则会皱起眉头。当然,我们只不过是从动物祖先那里继承了这种本能而已。利用这种本能,动物可以保护自己在没有冰箱、没有保质期的大自然中不至于吃坏肚子。

不难想象,味道不过是代表着不同的化学物质罢了。糖是甜的,盐是咸的,醋是酸的,药是苦的,这是任何人都知道的基本常识。问题在于:我们的身体又是如何把这些化学物质转化为大脑接收到的神经信号的呢?

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或许有人会回答:靠舌头呗!还有人可能会给出更精细的答案:靠的是味蕾。再深入探究的话,应该说是味蕾中的味觉细胞。味觉的神经电信号最初就是由这些味觉细胞产生的。那味觉细胞又是靠什么来感受不同味道之中的化学物质呢?笼统说来,这种位于舌尖上的接收器就是:蛋白质。

大家都知道,蛋白质写在各种食品包装上的营养列表里,是我们每天都要摄入的营养物质。但很少有人知道,其实我们的身体主要就是由蛋白质组成的。虽然基因这东西被吹得神乎其神,但真正让我们能吃、能跑、能说话、能睡觉的并不是基因,而是充斥在细胞各处的蛋白质。基因所记载的,只是这些蛋白质的生产手册。

 

通道与受体

  感受味道的蛋白质,具体来说属于一种叫做膜蛋白的蛋白质。它们位于细胞的表面,分成两大类:一类能够接受特定的外界分子并与之结合,称为受体;另一类是空心的,等于在细胞表面上开了一个孔洞,方便物质出入细胞,称为通道。

通道蛋白对于人体来说是非常重要的。如果没有它们,细胞就无法与外界有效地交换物质,养分进不来,废物也出不去;更要命的是,有些重要的生物学功能就无法实现了。比如说钠离子通道,能够让带正电的钠离子进入神经细胞,改变细胞内外的电压差,进而引发神经冲动。这正是我们需要吃盐的原因之一,盐里面的氯化钠能够补充神经系统所需的钠离子。过度缺乏钠离子就会导致休克,所以我们在大运动量之后才既要补水也要补盐。咸味的感知所利用的也正是钠离子通道。当我们吃了咸的东西,钠离子会从通道大量涌入感知咸味的味觉细胞内,从而引发神经信号。

我们在中学化学中都学过,酸性物质溶于水中就会产生大量的氢离子。氢离子越多,溶液也就越酸。舌头上的味觉细胞也利用了这一原理。感受酸味的细胞表面带有对氢离子敏感的通道,大量的氢离子会导致这种通道关闭。这一信号进一步转化成神经信号之后,我们就尝到了酸味。

除了咸味和酸味之外的其它味道,主要都是依靠味觉细胞表面的受体来实现的。这些受体就像是机器人的接收器一样,只不过它们接收的不是电磁波,而是化学小分子。俗话说:一把钥匙开一把锁。受体蛋白也是如此,依据自身形状的不同,所能结合的小分子也不相同。一旦受体识别到与自己匹配的小分子,两者的结合会导致受体发生形变,进而引发细胞内的一系列生物化学反应,最终放出神经信号。

那么,既然我们能够尝出成百上千种不同的味道,是不是也有成百上千种不同的味觉受体蛋白呢?其实不然。我们舌尖上的接收器往往都是多功能的,同一种受体蛋白能够识别比较类似的多种化学物质。这让我们的味觉变得不那么“精确”。比如说苦味吧,能够引起苦味的化学物质很多,但并不全都有毒。否则我们就不会饮苦茶、吃苦瓜了,更不会有“良药苦口”这样的名言警句了。再比如说甜味,葡萄糖、果糖、蔗糖等等各不相同的分子,都能引起甜味的感觉。人们正是利用这一点发明了甜味剂——能够被受体识别,产生甜味的感觉,但不能被人体吸收利用,不会导致发胖。

通道与受体

英文标注原图版权归洛克菲勒大学出版社所有

 

要鲜不要辣

  其实,我们人类只能够尝出五种不同的基本味道。而且这五种味道并不是我们中国人常说的“酸、甜、苦、辣、咸”,而是“酸、甜、苦、咸、鲜”。

为什么辣不是一种味道呢?因为它跟味觉完全没有关系。我们中国人会说“火辣辣的”。而英语的说法更直接,人们一般都用“热”(hot)而不是“辣”(spicy)来形容辣的东西。这不是大脑的幻觉,而是切切实实的感受。

实际上,辣是由一种叫做辣椒素的化学物质引发的。舌头上的辣椒素受体的正常功能当然不是用来探测辣椒素,而是负责感受温度和痛觉。所以,当你辣得汗流浃背的时候,只不过是因为我们的身体误以为自己碰上了极热的天气而已。另外,这种辣椒素受体遍布我们能够感受痛觉的全身各处。于是,“被辣到”绝对不是只有舌头才能享受的特殊待遇。同样的道理,四川人和重庆人酷爱的“麻”也不是一种味道。它实际上是对局部神经的暂时性麻痹所造成的感受。更糟糕的是,有严格的科学研究表明,过度吃辣会杀死你舌头上真正的味觉细胞,导致味觉能力的退化。

说完了辣,再来说说鲜为什么是一种味道。鲜的英文是umami,从发音上就可以看出来,是日语对于英语的又一贡献。当然,早在西方世界不知道日本为何物时,罗马人就已经懂得使用发酵的鱼酱来提鲜了。但是,真正在科学上研究并搞清楚鲜味本质的是一位日本的教授。于是很自然的,他把这种从未被明确作为味道提出来的鲜味用日语来命名了。

感受鲜味的受体所探测的化学物质是谷氨酸,它是组成蛋白质的20种基本氨基酸之一。而我们今天所用的味精,其主要成分就是谷氨酸的钠盐。有生物学家认为,之所以我们要懂得辨别鲜味,主要是为了判断食物中蛋白质的含量。不过也有生物学家对此持保留意见。或许,我们的汉语能在这个问题上做出贡献。“鲜”这个字本身有“新鲜”的意味。鲜味很可能最早代表着肉类食物的新鲜程度。我们在进化中保留了对这种味道的鉴定能力,很可能是为了吃到营养价值更高、更健康的新鲜肉食。

值得一提的是,很多人都认为舌头上品尝各种味觉的区域是不同的,所以品葡萄酒的时候才要把舌头卷起来,防止舌头两侧对酸味敏感的区域碰到酒液。就连周星驰的《大内密探零零发》中也曾对此有过细致而夸张的演绎。但其实这是完全没有科学道理的。现代生物学研究表明,各种味觉感受器在人舌头上的分布的确是有区域的,但这些区域完全重叠在一起。具体来说,舌头的中间部分基本没有味觉能力,而前半部分和后部以及两侧则具有完全相同的味觉能力。

舌味分布

英文标注原图版权归《自然》出版集团所有

 

五味之外

  除了“酸、甜、苦、咸、鲜”这五种基本的味觉之外,我们的舌头还有其它一些不那么敏感的味觉能力。如果口腔内出血,有的人会尝到一种铁锈味。这实际上是血液中用于携氧的铁离子被我们的舌头探测到了。这种味觉能力可以让我们对鲜血有足够的敏感度,在人类还需要捕猎为生的原始时期肯定是极为有用的。另外,我们的舌头上还有能够结合脂肪分子的受体蛋白,所以肥肉所带来的愉悦口感实际上也有一部分是味觉作用。

当然了,只靠五种基本的味觉不可能组合出舌尖上的中国那千变万化的味道。或许很多人并不清楚,各种食物的味道,大部分是靠鼻子闻,而不是靠舌头尝。大家肯定都有过感冒了吃饭不香的经历,其中很大一部分原因就是因为我们鼻腔里的嗅觉细胞全都被鼻涕覆盖住,闻不见气味了。有科学家做过更严格的实验,证明我们在闻不到气味的时候,根本分辨不出自己吃的是什么食物,喝的是什么饮料,甚至连茶和咖啡都区分不开。

有趣的是,在嗅觉细胞表面用于探测各种气味小分子的接收器,是一种与味觉受体非常相像的受体蛋白质。更不可思议的是,在我们视网膜上探测光信号的蛋白质,与味觉受体和嗅觉受体也是极为相似的。这些受体蛋白统统属于同一个大家族,学名称为G蛋白偶联受体。2012年诺贝尔化学奖两位得主的获奖原因,正是由于他们在这个家族蛋白质的研究上所做出的巨大贡献。

与味觉不太相同的是,嗅觉受体能感受的小分子种类要多得多。人类基因组计划研究结果显示,我们每个人可能有384种不同的嗅觉受体蛋白。不过,与其它哺乳动物相比,人类在进化中已经丢失了超过一半的嗅觉蛋白基因。这或许是因为我们不用撒尿去圈地盘,也不用在黑夜中靠嗅觉发现敌人或猎物,更不用靠闻体味来辨别亲人。话说回来,这384种嗅觉也足够了,足够我们缔造一个美食的浮华世界——只不过,它未必是在舌尖上的。

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(本文已发表于《瞭望东方周刊》。)

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